HashMap源码解析

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base on jdk_1.8.0_77

HashMap的常量介绍

static final int DEFAULT_INITIAL_CAPACITY = 1 << 4; // aka 16 初始化默认的容量，必须是2的指数幂。这里可以解释一下为什么要求table的长度为2的幂 n为2的幂，那么化成二进制就是100...00，减一之后成为0111..11 对于小于n-1的hash值，索引位置就是hash，大于n-1的就是取模，这样在获取table索引可以提高&运算的速度且最后一位为1，这样保证散列的均匀性。
static final int MAXIMUM_CAPACITY = 1 << 30; 最大的容量值。
static final float DEFAULT_LOAD_FACTOR = 0.75f; 默认的负载因子当数量达到 容量 * 负载因子 时，则扩充当前HashMap的容量为当前的2倍。 HashMap的loadFactor为什么是0.75？
static final int TREEIFY_THRESHOLD = 8; 链表转化为树的阈值。
static final int UNTREEIFY_THRESHOLD = 6; 树转化为链表的阈值。
static final int MIN_TREEIFY_CAPACITY = 64; 桶（bin）中的数据要采用红黑树结构进行存储时，整个Table的最小容量

构造函数

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public HashMap() {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR; // all other fields defaulted
}
public HashMap(int initialCapacity) {
    this(initialCapacity, DEFAULT_LOAD_FACTOR);
}
public HashMap(int initialCapacity, float loadFactor) {
    if (initialCapacity < 0)
        throw new IllegalArgumentException("Illegal initial capacity: "  
                initialCapacity);
    if (initialCapacity > MAXIMUM_CAPACITY)
        initialCapacity = MAXIMUM_CAPACITY;
    if (loadFactor <= 0 || Float.isNaN(loadFactor))
        throw new IllegalArgumentException("Illegal load factor: "  
                loadFactor);
    this.loadFactor = loadFactor;
    this.threshold = tableSizeFor(initialCapacity);
}
public HashMap(Map<? extends K, ? extends V> m) {
    this.loadFactor = DEFAULT_LOAD_FACTOR;
    putMapEntries(m, false);
}

无参的构造方法，赋值loadFactor为默认的负载因子 0.75。

带容量和负载因子的参数，分别对两个参数做范围判断，然后赋值给loadFactor和threshold。通过tableSizeFor(int cap)对传入的容量取 大于等于 该值 最小的2的指数幂。

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static final int tableSizeFor(int cap) {
    int n = cap - 1;
    n |= n >>> 1;
    n |= n >>> 2;
    n |= n >>> 4;
    n |= n >>> 8;
    n |= n >>> 16;
    return (n < 0) ? 1 : (n >= MAXIMUM_CAPACITY) ? MAXIMUM_CAPACITY : n   1;
}

map参数的构造方法，赋值loadFactor为默认的负载因子 0.75，然后在putMapEntries中通过tableSizeFor(t)计算当前应该分配的容量(2的指数幂数)，然后再把传入的数据存入。

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final void putMapEntries(Map<? extends K, ? extends V> m, boolean evict) {
    int s = m.size();
    if (s > 0) {
        if (table == null) { // pre-size
            float ft = ((float)s / loadFactor)   1.0F;
            int t = ((ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY) ?
                     (int)ft : MAXIMUM_CAPACITY);
            if (t > threshold)
                threshold = tableSizeFor(t);
        }
        else if (s > threshold)
            resize();
        for (Map.Entry<? extends K, ? extends V> e : m.entrySet()) {
            K key = e.getKey();
            V value = e.getValue();
            putVal(hash(key), key, value, false, evict);
        }
    }
}

数据操作相关的方法

put(K key, V value)
get(Object key)
remove(Object key)
resize()
treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash)

resize() 扩容

(1.0) 如果当前的容量已经达到最大容量MAXIMUM_CAPACITY(1<<30)了，就不再扩容了，直接返回当前的table。
(2.0) 如果当前的容量>= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY(16)，并且容量扩大一倍之后还< MAXIMUM_CAPACITY，则容量扩大一倍，得到newCap。
(3.0) 如果没有之前没有数据，则赋值 newCap 为默认的容量(16) 以及默认的扩容阈值(16 * 0.75)。
(4.0) 如果扩容阈值还为0，则更具当前的容量和 负载因子 计算扩容阈值(threshold)。
(5.0) 然后构建一个容量为 newCap的新 table，把之前的数据存进去。

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final Node<K,V>[] resize() {
    Node<K,V>[] oldTab = table;
    int oldCap = (oldTab == null) ? 0 : oldTab.length;
    int oldThr = threshold;
    int newCap, newThr = 0;
    if (oldCap > 0) {
        if (oldCap >= MAXIMUM_CAPACITY) {
            //1.0
            threshold = Integer.MAX_VALUE;
            return oldTab;
        }
        else if ((newCap = oldCap << 1) < MAXIMUM_CAPACITY &&
                oldCap >= DEFAULT_INITIAL_CAPACITY)
            //2.0
            newThr = oldThr << 1; // double threshold
    }
    else if (oldThr > 0) // initial capacity was placed in threshold
        newCap = oldThr;
    else {               // zero initial threshold signifies using defaults
        //3.0
        newCap = DEFAULT_INITIAL_CAPACITY;
        newThr = (int)(DEFAULT_LOAD_FACTOR * DEFAULT_INITIAL_CAPACITY);
    }
    if (newThr == 0) {
        //4.0
        float ft = (float)newCap * loadFactor;
        newThr = (newCap < MAXIMUM_CAPACITY && ft < (float)MAXIMUM_CAPACITY ?
                (int)ft : Integer.MAX_VALUE);
    }
    threshold = newThr;
    //5.0
    @SuppressWarnings({"rawtypes","unchecked"})
    Node<K,V>[] newTab = (Node<K,V>[])new Node[newCap];
    table = newTab;
    if (oldTab != null) {
        for (int j = 0; j < oldCap;   j) {
            Node<K,V> e;
            if ((e = oldTab[j]) != null) {
                oldTab[j] = null;
                if (e.next == null)
                    newTab[e.hash & (newCap - 1)] = e;
                else if (e instanceof TreeNode)
                    ((TreeNode<K,V>)e).split(this, newTab, j, oldCap);
                else { // preserve order
                    Node<K,V> loHead = null, loTail = null;
                    Node<K,V> hiHead = null, hiTail = null;
                    Node<K,V> next;
                    do {
                        next = e.next;
                        if ((e.hash & oldCap) == 0) {
                            if (loTail == null)
                                loHead = e;
                            else
                                loTail.next = e;
                            loTail = e;
                        }
                        else {
                            if (hiTail == null)
                                hiHead = e;
                            else
                                hiTail.next = e;
                            hiTail = e;
                        }
                    } while ((e = next) != null);
                    if (loTail != null) {
                        loTail.next = null;
                        newTab[j] = loHead;
                    }
                    if (hiTail != null) {
                        hiTail.next = null;
                        newTab[j   oldCap] = hiHead;
                    }
                }
            }
        }
    }
    return newTab;
}

put(K key, V value) 存数据

分为以下三种情况：

插入位置无数据，直接存入当前的key在table的位置
插入位置有数据，但是较少且符合链表结构存储的条件，那么以链表操作存入
插入位置有数据，但是以树结构进行存储，那么以树的相关操作进行存入

源码解析：

(1.0) 通过 key.hashCode() ^ (key.hashCode() >>> 16) 获取 key 的 hash 值。
(2.0) 如果当前的table 为 空 或者长度为0 则做一次扩容操作。
(3.0) 通过 (n-1) ^ hash 获取 key 所在 table 的位置，如果当前的 node=null || size = 0，则把当前的数据构建一个新的 node 存在当前位置，否则看(4.0) 。
(4.0) 如果当前 node 的 hash 和 key 和传入的 hash 和 key 相同，则通过(7.0) 更新 node。
(5.0) 如果当前的 node 已经变为TreeNode，则执行 TreeNode 的插入操作，后面介绍 TreeNode再详细介绍。
(6.0) 遍历当前 node 链表，如果找到满足(4.0)的条件的 node，则通过(7.0) 更新 node，否则新建一个 node 添加到当前的链表最后，并判断(6.1)，再执行(8.0)。
(6.1) 如果当前的node的数据已达到 TREEIFY_THRESHOLD - 1，则通过treeifyBin(tab, hash)转化为树。
(7.0) 更新当前的node的值为传入的 value，并返回之前的oldValue。
(8.0) 判断是否需要做扩容操作。

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public V put(K key, V value) {
    return putVal(hash(key), key, value, false, true);
}
static final int hash(Object key) {
    // 1.0
    int h;
    return (key == null) ? 0 : (h = key.hashCode()) ^ (h >>> 16);
}
final V putVal(int hash, K key, V value, boolean onlyIfAbsent,
               boolean evict) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, i;
    if ((tab = table) == null || (n = tab.length) == 0)
        // 2.0
        n = (tab = resize()).length;
    if ((p = tab[i = (n - 1) & hash]) == null)
        //3.0
        tab[i] = newNode(hash, key, value, null);
    else {
        Node<K,V> e; K k;
        if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            //4.0
            e = p;
        else if (p instanceof TreeNode)
            //5.0
            e = ((TreeNode<K,V>)p).putTreeVal(this, tab, hash, key, value);
        else {
            //6.0
            for (int binCount = 0; ;   binCount) {
                if ((e = p.next) == null) {
                    p.next = newNode(hash, key, value, null);
                    if (binCount >= TREEIFY_THRESHOLD - 1) // -1 for 1st
                        //6.1
                        treeifyBin(tab, hash);
                    break;
                }
                if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    break;
                p = e;
            }
        }
        //7.0
        if (e != null) { // existing mapping for key
            V oldValue = e.value;
            if (!onlyIfAbsent || oldValue == null)
                e.value = value;
            afterNodeAccess(e);
            return oldValue;
        }
    }
    //8.0
      modCount;
    if (  size > threshold)
        resize();
    afterNodeInsertion(evict);
    return null;
}

get(Object key) 取数据

和存数据类似:

如果当前的 tab 没数据，或者没有对应的key 则返回null.
否则先校验第一个 node，再看是通过 getTreeNode(int h, Object k)去树中找还是遍历当前的链表。

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public V get(Object key) {
    Node<K,V> e;
    return (e = getNode(hash(key), key)) == null ? null : e.value;
}

final Node<K,V> getNode(int hash, Object key) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> first, e; int n; K k;
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (first = tab[(n - 1) & hash]) != null) {
        if (first.hash == hash && // always check first node
                ((k = first.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            return first;
        if ((e = first.next) != null) {
            if (first instanceof TreeNode)
                return ((TreeNode<K,V>)first).getTreeNode(hash, key);
            do {
                if (e.hash == hash &&
                        ((k = e.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
                    return e;
            } while ((e = e.next) != null);
        }
    }
    return null;
}

remove(Object key) 删除数据

(1.0) 通过 tab != null && (n = tab.length) > 0 && (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null校验table不为空，并且在table上对应索引的值不为空。

(2.0) 判断链表 key 对应位置的第一个是不是对应的key，是的话就赋值给 node。

(3.0) 判断当前是否已经树化，是的话，则通过getTreeNode去获取对应的节点。

(4.0) 是链表的话，就遍历链表找到对应的key的节点，赋值给 ·node`。

(5.0) 判断node是否为空，并且对应的值是否相等。(5.1)树化则调用removeTreeNode移除树的节点；(5.2)如果为key在当前tab的索引位置，直接覆盖；(5.3) 否则通过p.next = node.next 直接移除node.

(6.0) afterNodeRemoval方法默认是空实现。

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// Callbacks to allow LinkedHashMap post-actions
void afterNodeAccess(Node<K,V> p) { }
void afterNodeInsertion(boolean evict) { }
void afterNodeRemoval(Node<K,V> p) { }

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public V remove(Object key) {
    Node<K,V> e;
    return (e = removeNode(hash(key), key, null, false, true)) == null ?
            null : e.value;
}
final Node<K,V> removeNode(int hash, Object key, Object value,
                           boolean matchValue, boolean movable) {
    Node<K,V>[] tab; Node<K,V> p; int n, index;
    if ((tab = table) != null && (n = tab.length) > 0 &&
            (p = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) { //1.0
        Node<K,V> node = null, e; K k; V v;
        if (p.hash == hash &&
                ((k = p.key) == key || (key != null && key.equals(k))))
            node = p;//2.0
        else if ((e = p.next) != null) {
            if (p instanceof TreeNode)//3.0
                node = ((TreeNode<K,V>)p).getTreeNode(hash, key);
            else {//4.0
                do {
                    if (e.hash == hash &&
                            ((k = e.key) == key ||
                                    (key != null && key.equals(k)))) {
                        node = e;
                        break;
                    }
                    p = e;
                } while ((e = e.next) != null);
            }
        }
        if (node != null && (!matchValue || (v = node.value) == value ||
                (value != null && value.equals(v)))) { //5.0
            if (node instanceof TreeNode)//5.1
                ((TreeNode<K,V>)node).removeTreeNode(this, tab, movable);
            else if (node == p)//5.2
                tab[index] = node.next;
            else//5.3
                p.next = node.next;
              modCount;
            --size;
            afterNodeRemoval(node);//6.0
            return node;
        }
    }
    return null;
}

treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) 链表树化

(1.0) 没有达到树化的最小数量MIN_TREEIFY_CAPACITY，则进行扩容操作。
(2.0) 满足树化的条件，则把链表的每个节点都转化为 TreeNode。
(3.0) 通过TreeNode的treeify(Node<K,V>[] tab)方法构建树。

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final void treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) {
    int n, index; Node<K,V> e;
    if (tab == null || (n = tab.length) < MIN_TREEIFY_CAPACITY)//1.0
        resize();
    else if ((e = tab[index = (n - 1) & hash]) != null) {
        TreeNode<K,V> hd = null, tl = null;
        do {//2.0
            TreeNode<K,V> p = replacementTreeNode(e, null);
            if (tl == null)
                hd = p;
            else {
                p.prev = tl;
                tl.next = p;
            }
            tl = p;
        } while ((e = e.next) != null);
        if ((tab[index] = hd) != null)
            hd.treeify(tab);//3.0
    }
}

TreeNode介绍

TreeNode 继承自 LinkedHashMap.LinkedHashMapEntry，变量包括，parent：父节点、left：左节点、right：右节点、prev：删除后断开连接、red：是否是红黑树的红节点(红黑树的介绍)。

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static final class TreeNode<K,V> extends LinkedHashMap.LinkedHashMapEntry<K,V> {
    TreeNode<K,V> parent;  // red-black tree links
    TreeNode<K,V> left;
    TreeNode<K,V> right;
    TreeNode<K,V> prev;    // needed to unlink next upon deletion
    boolean red;
    TreeNode(int hash, K key, V val, Node<K,V> next) {
        super(hash, key, val, next);
    }

主要有以下方法：

root()：获取根节点
getTreeNode(int h, Object k)：查找节点
treeify(Node<K,V>[] tab)：链表转树
untreeify(HashMap<K,V> map)：树转链表
putTreeVal(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab, int h, K k, V v)：插入数据操作
removeTreeNode(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab, boolean movable)：移除数据操作
rotateLeft(TreeNode<K,V> root, TreeNode<K,V> p)：红黑树的左旋操作
rotateRight(TreeNode<K,V> root, TreeNode<K,V> p)：红黑树的右旋操作
balanceInsertion(TreeNode<K,V> root, TreeNode<K,V> x)：红黑树的插入数据之后的自平衡
balanceDeletion(TreeNode<K,V> root, TreeNode<K,V> x)：红黑树的删除数据之后的自平衡

getTreeNode 查找节点

从根节点开始查找，大于则查找右子树，小于则查找左子树。

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final TreeNode<K,V> getTreeNode(int h, Object k) {
    return ((parent != null) ? root() : this).find(h, k, null);
}
final TreeNode<K,V> find(int h, Object k, Class<?> kc) {
    TreeNode<K,V> p = this;
    do {
        int ph, dir; K pk;
        TreeNode<K,V> pl = p.left, pr = p.right, q;
        if ((ph = p.hash) > h)
            p = pl;
        else if (ph < h)
            p = pr;
        else if ((pk = p.key) == k || (k != null && k.equals(pk)))
            return p;
        else if (pl == null)
            p = pr;
        else if (pr == null)
            p = pl;
        else if ((kc != null ||
                (kc = comparableClassFor(k)) != null) &&
                (dir = compareComparables(kc, k, pk)) != 0)
            p = (dir < 0) ? pl : pr;
        else if ((q = pr.find(h, k, kc)) != null)
            return q;
        else
            p = pl;
    } while (p != null);
    return null;
}

treeify 链表转树

(1.0) 首先构建根节点
(2.0) 比较hash值的大小
(3.0) 根据上一步比较的大小存入左子树还是右子树。

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final void treeify(Node<K,V>[] tab) {
    TreeNode<K,V> root = null;
    for (TreeNode<K,V> x = this, next; x != null; x = next) {
        next = (TreeNode<K,V>)x.next;
        x.left = x.right = null;
        if (root == null) { //1.0
            x.parent = null;
            x.red = false;
            root = x;
        } else {
            K k = x.key;
            int h = x.hash;
            Class<?> kc = null;
            for (TreeNode<K,V> p = root;;) {
                int dir, ph;
                K pk = p.key;
                if ((ph = p.hash) > h)//2.0
                    dir = -1;
                else if (ph < h)
                    dir = 1;
                else if ((kc == null &&
                        (kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
                        (dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0)
                    dir = tieBreakOrder(k, pk);

                TreeNode<K,V> xp = p;
                if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {//3.0
                    x.parent = xp;
                    if (dir <= 0)
                        xp.left = x;
                    else
                        xp.right = x;
                    root = balanceInsertion(root, x);
                    break;
                }
            }
        }
    }
    moveRootToFront(tab, root);
}

untreeify 树转链表

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/**
 * Returns a list of non-TreeNodes replacing those linked from this node.
 */
final Node<K,V> untreeify(HashMap<K,V> map) {
    Node<K,V> hd = null, tl = null;
    for (Node<K,V> q = this; q != null; q = q.next) {
        Node<K,V> p = map.replacementNode(q, null);
        if (tl == null)
            hd = p;
        else
            tl.next = p;
        tl = p;
    }
    return hd;
}

putTreeVal 插入数据

(1.0) 比较hash值的大小，大于或者小于则查找子树，相等则直接返回。
(2.0) 当 key 相等的时候则返回当前的节点
(3.0) 根据比较hash值的大小的结果更新 p 为左子树还是右子树。

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final TreeNode<K,V> putTreeVal(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab,
                               int h, K k, V v) {
    Class<?> kc = null;
    boolean searched = false;
    TreeNode<K,V> root = (parent != null) ? root() : this;
    for (TreeNode<K,V> p = root;;) {
        int dir, ph; K pk;
        //1.0
        if ((ph = p.hash) > h)
            dir = -1;
        else if (ph < h)
            dir = 1;
        else if ((pk = p.key) == k || (k != null && k.equals(pk)))
            return p;//2.0
        else if ((kc == null &&
                (kc = comparableClassFor(k)) == null) ||
                (dir = compareComparables(kc, k, pk)) == 0) {
            if (!searched) {
                TreeNode<K,V> q, ch;
                searched = true;
                if (((ch = p.left) != null &&
                        (q = ch.find(h, k, kc)) != null) ||
                        ((ch = p.right) != null &&
                                (q = ch.find(h, k, kc)) != null))
                    return q;
            }
            dir = tieBreakOrder(k, pk);
        }

        TreeNode<K,V> xp = p;
        if ((p = (dir <= 0) ? p.left : p.right) == null) {//3.0
            Node<K,V> xpn = xp.next;
            TreeNode<K,V> x = map.newTreeNode(h, k, v, xpn);
            if (dir <= 0)
                xp.left = x;
            else
                xp.right = x;
            xp.next = x;
            x.parent = x.prev = xp;
            if (xpn != null)
                ((TreeNode<K,V>)xpn).prev = x;
            moveRootToFront(tab, balanceInsertion(root, x));
            return null;
        }
    }
}

removeTreeNode移除数据

(1.0) (1.1) (1.2) tab为空、根节点为空或者树的数量太少则直接返回 null，当树的数量太少则转为链表。
(2.0) 寻找要替换的点。
(3.0) 如果要移除的不是当前这个treenode，则替换当前节点的父节点或者其左右节点。
(4.0) 如果是当前节点是红黑树的黑树则通过balanceDeletion实现平衡。
(5.0) 如果要移除的是当前这个treenode，则从树中移除当前节点。

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final void removeTreeNode(HashMap<K,V> map, Node<K,V>[] tab,
                          boolean movable) {
    int n;
    if (tab == null || (n = tab.length) == 0)//1.0
        return;
    ...
    if (first == null)//1.1
        return;
    ...
    if (root == null || root.right == null ||
            (rl = root.left) == null || rl.left == null) {//1.2
        tab[index] = first.untreeify(map);  // too small
        return;
    }
    //2.0
    TreeNode<K,V> p = this, pl = left, pr = right, replacement;
    if (pl != null && pr != null) {//寻找要替换的点
        ... //省略查找的代码
        if (sr != null)
            replacement = sr;
        else
            replacement = p;
    }
    else if (pl != null)
        replacement = pl;
    else if (pr != null)
        replacement = pr;
    else
        replacement = p;

    if (replacement != p) {//3.0
        TreeNode<K,V> pp = replacement.parent = p.parent;
        if (pp == null)
            root = replacement;
        else if (p == pp.left)
            pp.left = replacement;
        else
            pp.right = replacement;
        p.left = p.right = p.parent = null;
    }

    TreeNode<K,V> r = p.red ? root : balanceDeletion(root, replacement);//4.0
    //5.0
    if (replacement == p) {  // detach
        TreeNode<K,V> pp = p.parent;
        p.parent = null;
        if (pp != null) {
            if (p == pp.left)
                pp.left = null;
            else if (p == pp.right)
                pp.right = null;
        }
    }
    if (movable)
        moveRootToFront(tab, r);
}

参考文章

HashMap源码分析
Java中HashMap的实现原理
HashMap defaultLoadFactor = 0.75和泊松分布没有关系
HashMap的loadFactor为什么是0.75？

以上

编程算法 hashmap node.js c++

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HashMap源码解析

目录

HashMap的常量介绍

构造函数

数据操作相关的方法

resize() 扩容

put(K key, V value) 存数据

get(Object key) 取数据

remove(Object key) 删除数据

treeifyBin(Node<K,V>[] tab, int hash) 链表树化

TreeNode介绍

getTreeNode 查找节点

treeify 链表转树

untreeify 树转链表

putTreeVal 插入数据

removeTreeNode移除数据

参考文章